空间快堆事故工况下温差发电器特性研究

从温差发电器的瞬态导热数学模型出发，研究空间快堆在发生无保护超功率事故(UTOP)与无保护失流事故(ULOF)情况下温差发电器温度和热电转换效率的变化趋势。结果表明，在空间快堆发生事故时，温差发电器的热力学变化足以保证热电装置和空间快堆的安全性。     

双模式热管堆电热原理样机设计及验证实验研究

固态热管反应堆是未来新型装备最佳能源动力解决方案之一,然而其关键技术尚未成熟,可行性及可靠性有待近一步研究。本文提出了动静结合双模式热管堆概念设计,搭建了“模拟堆芯-高温热管-斯特林-温差发电”一体化集成实验装置,利用紫铜基体及加热棒模拟反应堆堆芯,利用弯折高温钾热管实现堆芯冷却及能量传输过程,利用斯特林热电转换装置及碲化铋温差发电元件实现动态/静态热电转换过程,验证了双模式热管堆技术的可行性。实验结果表明,所研制的弯折高温钾热管符合设计需求,输入功率为878 W时,热管轴向壁面温差低于60 K,不凝气体段长度小于5 cm。对于碲化铋温差发电器件,输入功率为4.2 kW、热端温度为310℃、冷端温度为20℃时,30片热电器件共发电102.6 W,热电转换效率为2.44%。对于斯特林发电机,输入功率为3.3 kW时,发电功率为429 W,热电转换效率为13.1%。本文结果可为双模式热管堆概念设计及研制提供实验数据支撑。     

温差热电转换型空间热管冷却反应堆瞬态分析程序开发及验证

热管冷却反应堆采用固态堆芯设计、高温热管传热,具有结构简单、非能动、高可靠性等优点。为研究温差热电转换型空间热管冷却反应堆电源系统的瞬态特性,本文针对该型电源系统中最主要的系统(包括堆本体、高温热管、温差热电转换系统)建立了详细的数学物理模型,并开发了系统瞬态分析程序,其中堆本体模型基于OpenFOAM进行模块开发,耦合了点堆动力学模型和反应性反馈模型。通过文献和试验数据分别验证了高温热管及温差热电转换模型,结果与参考值符合较好,其中温差热电转换模块发电功率与试验值的相对偏差小于2.75%。采用该程序对KRUSTY进行了建模分析,开展了反应性引入、热电转换模块失效、负荷跟踪、主动冷却丧失工况下的瞬态分析,并与试验值进行了对比。结果表明,在上述瞬态工况下堆芯燃料表面温度与试验值的偏差小于4.1 K,程序计算结果与试验值符合较好。     

一种热管熔盐堆塔式温差发电系统设计及分析

熔盐堆作为第四代先进反应堆的重要堆型之一，以高沸点熔盐为核燃料熔融载体，具有高温输出、常压操作等特点。而基于温差发电的热管熔盐堆，兼具了熔盐堆、热管和温差发电的优势，具有输出温度高、热电转换效率高、结构简单及安全可靠等优点，在能源系统领域具有极大的优势，是外太空及深海探测任务的理想能源。但因堆芯熔盐低热导率而形成的热管密集排布给热管冷凝段的温差发电传热设计带来了难题。针对该堆型设计需求，本文提出适于熔盐堆的热管-温差发电耦合系统结构并进行了传热分析。堆芯热管冷凝段采用塔式温差发电系统结构设计，整体热端座与堆芯热管冷凝端相配合，形成从下至上的第1层至第N层热段套；冷端座套置于热端座外，内设冷端热管通道；热端座的外侧壁与冷端座的内侧壁之间贴有温差发电片，发电片间隙采用保温棉减少漏热。采用Ansys Workbench开展了适于热管熔盐堆的4层塔式温差发电系统传热仿真模拟，分析表明：系统运行的高温热管最高温度为696℃时，整体塔座温度分布均匀，热量有效利用率大于96%，系统漏热量小于4%，发电片两侧温差大于490℃，利于提高热电转换效率，设计具有可行性，有利于推动温差发电在热管熔盐堆中的应用...     

热管冷却空间反应堆系统启动特性研究

为研究热管冷却空间堆系统从冷态零功率到满功率的启动特性,以典型热管冷却空间反应堆电源系统SAIRS为对象,开发了热管冷却空间反应堆系统瞬态程序TAPIRS。该程序的模型主要包括中子动力学模型、堆芯传热模型、热管模型、碱金属热电转换装置（AMTEC）能量转换模型和散热板模型。将TAPIRS程序各模块和系统稳态计算结果与参考文献计算值比较分析,验证了本文模型和求解方法的合理性。启动特性研究表明,通过控制控制鼓的转动速率,可实现反应堆从次临界到满功率、热管和AMTEC从固态到正常运行状态的启动过程。热管冷却空间堆依靠核热启动具有可行性,热管最高温度不超过1 250 K,满功率参数与相关文献的最大相对误差不超过6%。     

小型核电源传热及热电特性实验研究

针对无人水下航行器（UUV）续航能力差这一缺点，结合核动力UUV中的结合静默式温差发电热管反应堆技术，建立非核电加热实验台架，进行启动实验，验证静默式温差发电热管堆技术的技术可行性。实验结果表明:实验装置系统启动过程顺利，启动后等温性良好；温差发电器件热电性能良好，发电效率可达6.8%。该实验装置作为国内首个基于温差发电及高温热管传热的电加热实验台架，其实验数据可为静默式温差发电热管反应堆进一步设计和应用提供参考。      

固态热管反应堆模拟装置热工水力特性分析

热管反应堆具有小型化、结构简单、固有安全性高等优势,有着广泛的应用前景和研究意义。本文采用CFD方法对热管反应堆模拟装置进行了稳态工况下的热工水力特性分析,并与实验结果进行对比。结果表明,热管各测点温度相对误差不超过5.5%,温差发电器热端各测点温度相对误差不超过3.1%,证明了该模型方法的可行性和正确性。本研究为热管反应堆的数值模拟提供理论指导与方法支撑。     

空间堆热管输热能力分析

为保证空间堆的传热安全,空间堆热管必须工作在各种传热极限以下,并能满足避免单点失效的安全要求。本文建立了空间堆热管黏性极限、声速极限、携带极限、沸腾极限和毛细极限5种传热极限计算方法,并改进了毛细极限计算模型。利用建立的方法计算了分段式热电偶转换的热管冷却空间堆电源系统堆芯锂热管、辐射散热器钾热管和碱金属热电转换的空间堆电源系统堆芯钠热管的传热极限。结果表明,空间堆用锂热管和钠热管的毛细极限分别为25.21kW和14.69kW,钾热管的声速极限为7.88kW,其传热设计冗余量分别大于19.4%、23.6%和43.2%。空间堆堆芯热管在正常运行时限制其热量输出的传热极限为毛细极限,而限制散热器钾热管正常运行时热量输出的传热极限为声速极限。     

AMTEC转换空间堆系统负荷跟踪特性研究

研究了采用碱金属热电转换（AMTEC）、热管冷却的空间堆电源系统的负荷跟踪特性。分析了外部负载电阻及冷热端温度对模块化AMTEC性能的影响，利用TAPIRS程序分析了AMTEC转换空间堆系统在负载需求变化下的瞬态响应以及系统负荷跟踪特性。结果表明:随着外部负载电阻的增大，AMTEC热电转换效率及输出电功率都先增大到最大值，然后逐渐减小，存在临界外部负载电阻值使得AMTEC热电转换效率和输出电功率达到最大，但这2个临界值不相等；虽然空间堆具有负荷跟踪特性，但系统的固有负荷跟踪特性仅在大于临界外部负载电阻值时存在，当小于此外部负载电阻值时，空间堆系统表现为非负荷跟踪特性。      

DEMO水冷包层第一壁结构优化设计研究

针对聚变示范堆（DEMO）水冷包层,通过计算流体力学程序CFX和计算结构力学程序ANSYSWorkbench中的SIMULATION模块进行单向流固耦合分析。在对现有设计的DEMO水冷包层第一壁温度和应力数值模拟分析的基础上,改变了第一壁流道结构,着重研究了不同流道结构下的温度和应力分布,分析了几何结构对最高温度和最大应力的影响,提出第一壁结构的优化设计方案。数值模拟结果表明,优化设计方案能有效降低第一壁结构中的最高温度和最大应力。     

海洋静默式热管反应堆热工水力特性研究

安全可靠的能源供给是无人水下潜航器（UUV）发展的关键基础,本研究面向我国重型海洋UUV研发的能源需求,提出了海洋静默式热管反应堆（NUSTER-100）小型核电源概念设计。建立了包括堆芯功率模型、堆芯通道传热模型、热管传热模型、热电转换模型及冷端换热模型等热管反应堆系统数学物理模型,基于高效稳健的数值算法和模块化编程思想,开发了具有自主知识产权的热管反应堆稳态和瞬态热工水力特性分析程序HEART,采用热管实验、温差发电实验等数据对HEART程序关键模块进行了验证与确认。采用HEART程序对NUSTER-100的稳态、冷启动瞬态及反应性引入瞬态工况进行了计算分析,获得了NUSTER-100满功率稳态工况下的热工水力特性,基于冷启动瞬态热工水力分析,提出了具有较高安全性的三段式热管反应堆启动方案,评估了反应性引入瞬态工况下热管反应堆的自稳特性和安全性。本研究可为我国UUV及热管反应堆技术的发展提供理论和技术支持。     

Study on startup characteristics of heat pipe cooled and AMTEC conversion space reactor system

Future exploration of deep space requires space power with high power density, light weight, low cost and high reliability. Space reactor is an excellent candidate with its unique characteristics of high specific power, low cost, strong environment adaptability and so on. Among all types of space reactors, heat pipe cooled space reactor, which adopts the passive heat pipe as core cooling component, is considered as one of the most promising choice and is widely studied all over the world. Startup characteristics of this type space reactor are an active topic.Previous studies mainly focused on the startup from high temperature rather than environmental temperature. In order to simulate the transient startup process from frozen state, a transient analysis code (TAPIRS) for heat pipe cooled space reactor power system (HPS) has been developed and applied to investigate the system transient performance during a startup from zero cold power to full power. The code integrates separately validated point reactor kinetics model, lumped parameter core heat transfer model, combined heat pipe (HP) model (self-diffusion model, flat-front startup model and network model), energy conversion model of alkali metal thermal-to-electric conversion units (AMTEC), and HP radiator model. By comparing the simulation results of the models and steady state with those in the references, the rationality of the models and the solution method is validated. It is found that by adjusting the control drum's rotational speed, the reactor can startup from subcritical state to full power state while the heat pipe and AMTEC from solid state to normal operational state. HPS can startup entirely depending on the nuclear power, and the maximum temperature of the heat pipe does not exceed 1250 K in the whole startup process. The maximum errors of the parameters between the simulation results of this paper and those in the literature at the full power condition are less than 5%. Under the accident of control drum failure with largest reactivity insertion, the fuel temperature can be controlled within the safety limits. These show that the reactor system has characteristics of no single-point failures, the self-stabilization capability under accident conditions.     

热管冷却反应堆的兴起和发展

热管冷却反应堆采用固态反应堆设计理念,通过热管非能动方式导出堆芯热量。本文总结了热管冷却反应堆的概念初创、积极探索、重大突破的发展历程;分析了热管冷却反应堆的技术特点,包括固态属性、固有安全性高、运行特性简单、易于模块化与易扩展和运输特性良好等核心优势;归纳了热管冷却反应堆中热管性能、材料工艺、能量转换等技术现状,并提出热管冷却反应堆进一步发展将面临的材料、制造工艺、运行可维护性等挑战,从而明确了热管冷却反应堆未来的发展趋势,为革新型热管冷却反应堆技术的发展与应用提供良好的方向指引。总体而言,热管冷却反应堆在深空探测与推进、陆基核电源、深海潜航探索等场景中具有广阔的应用前景,有可能成为改变未来核动力格局的颠覆性技术之一。      

兆瓦级空间热管反应堆动力系统概念设计

针对目前航天技术发展对动力提出的要求,参考国外提出的空间核动力系统设计,提出了新型兆瓦级空间热管反应堆核动力系统概念设计。堆芯为金属锂热管冷却、石墨慢化热中子反应堆,采用转鼓控制反应性,堆芯热量通过热管导出。与国外热管反应堆设计方案中燃料棒与热管相间布置方案不同,本文采用了热管-燃料复合元件,即燃料包裹于热管外壁面。能量转换采用以氦氙混合气体为工质的布雷顿动态热电转换。系统废热通过钠钾合金冷却回路传递到钾热管辐射板,通过辐射换热释放入太空。对热管反应堆堆芯物理及热工进行了初步分析,并对热管辐射板进行了性能分析,结果表明,所设计热管反应堆堆芯在设计功率下满足相应安全性要求,同时热管辐射板具有足够的能力将系统废热导出。     

兆瓦级空间气冷堆系统启停堆瞬态分析

本文针对兆瓦级高温气冷堆布雷顿循环系统,采用Fortran语言开发系统分析程序TASS,包括堆芯、透平-发电机-压气机、回热器、冷却器和热管式辐射散热器等模型。通过设计值与程序计算值对比对TASS进行验证,并利用TASS对系统启动、停堆瞬态工况进行数值模拟。结果显示,通过分两阶段、阶梯式引入正反应性和提高涡轮机械的转轴速度,堆芯流量和功率匹配良好,系统可在3.5 h内完成启动过程,达到反应堆功率3 406 kW、流量14.2 kg/s的稳态运行。系统停堆过程中,反应堆可依靠自身的非能动余热排出能力,确保芯块和包壳温度与熔点间存在较大安全裕量,实现安全停堆。     

Space reactor power systems with no single point failures

Nuclear reactor power systems could revolutionize space exploration and support human outpost on the moon and Mars. This paper reviews various energy conversion technologies for use in space reactor power systems and provides estimates of the system's net efficiency and specific power, and the specific area of the radiator. The suitable combinations of the energy conversion technologies and the nuclear reactors, classified based on the coolant type and cooling method, for best system performance and highest specific power, are also discussed. In addition, a number of power system concepts with both static and dynamic energy conversion, but with no single point failures in reactor cooling, energy conversion and heat rejection, and for nominal electrical powers up to 110 kW_e, are presented. The first two power systems employ reactors cooled with lithium and sodium heat pipes, SiGe thermoelectric (TE) and alkali-metal thermal-to-electric conversion (AMTEC), and potassium heat pipes radiators. The reactors heat pipes operate at a fraction of the prevailing capillary or sonic limit, and in the case of a multiple heat pipes failure, those in the adjacent modules remove the additional heat load, thus maintaining the reactor adequately cooled and the power system operating at a reduced power. The third power system employs SiGe TE converters and a liquid metal cooled reactor with a divided core into six sectors that are neurotically and thermally coupled, but hydraulically decoupled. Each sector has a separate energy conversion loop, a heat rejection loop, and a rubidium heat pipes radiator panel. When a core sector experiences a loss-of-coolant, the fission power of the reactor is reduced, and that generated in the sector in question is removed by the circulating coolant in the adjacent sectors. The fourth power system employs a gas cooled reactor with a core divided into three identical sectors, and each sector is coupled to a separate Closed Brayton Cycle (CBC) loop with He-Xe binary mixture (40 g/mol) working fluid, a secondary loop with circulating liquid Nak-78, and two water heat pipes radiator panels.     

超高温锂热管设计与热输运性能分析

超高温锂热管冷却的核反应堆因其静默性、体积小等优势,在深海核动力和深空探测方面具有广泛的应用前景。为掌握超高温锂热管的传热特性,开展了超高温锂热管设计,并基于热阻网格法开发了超高温锂热管的Python程序,在此基础上对锂热管进行热输运性能分析。通过与其他现有模型和实验数据对比,验证了本文开发的模型精度,且应用该程序校核了本文设计的超高温锂热管,并分析了超高温锂热管在变功率工况下热管结构对热管达到新的稳定状态所需转变时间的影响。结果表明,本文设计的超高温锂热管符合设计要求;增加管壁厚度和吸液芯厚度会增加转变时间;增加冷凝段长度有利于减少转变时间。本文研究为热管堆的优化设计和安全分析提供了依据。